UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
EM ENGENHARIA DE ENERGIA
Métodos de intensificação da biodigestão anaeróbia visando a geração de eletricidade a partir do biogás.
Flávio Ferreira Freitas
Itajubá 2019
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
EM ENGENHARIA DE ENERGIA
Flávio Ferreira Freitas
Métodos de intensificação da biodigestão anaeróbia visando a geração de eletricidade a partir do biogás.
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Energia como parte dos requisitos para obtenção do Título de Mestre em Ciências em Engenharia de Energia.
Área de Concentração: Sistemas Energéticos
Orientador: Prof. Dr. Osvaldo José Venturini Coorientador: Prof. Dr. Electo E. Silva Lora
Itajubá 2019
DEDICATÓRIA
AGRADECIMENTOS
À minha esposa Ana Letícia, pela paciência, apoio e carinho.
Aos meus pais Alzemira e Carlos e aos meus irmãos Lílian, Samuel e Ana Paula. Agradeço especialmente à minha irmã Lílian por sempre me ajudar nesta trajetória acadêmica.
À Universidade Federal de Itajubá e aos meus orientadores, Osvaldo e Electo, pelo estímulo, paciência, amizade, conhecimento e colaboração na conclusão deste trabalho. Ao Jean, Fernando e colegas do Núcleo de Excelência em Geração Termelétrica (NEST), pelo apoio, colaboração e amizade.
À prof(a) Maria Luiza Grillo Reno, Lidiane La Picirelli de Souza e Mateus Rocha por me ajudarem na parte de Análise de Ciclo de Vida.
RESUMO
A digestão anaeróbia é um processo complexo e que depende de distintas variáveis, tais como pH do meio, temperatura, agitação do sistema, toxicidade, tipo de substrato, sólidos voláteis e totais, taxa de carga orgânica e também a relação Carbono/Nitrogênio (C/N). Esta última, por sua vez, foi o ponto central no desenvolvimento do trabalho. Esta proporção afeta as bactérias em distintas etapas da biodigestão e, dependendo da concentração desbalanceada de carbono e nitrogênio, pode afetar o metabolismo energético inibindo a produção de biogás. Assim, neste trabalho propõe-se o estudo da codigestão de dejeto suíno com dois co-substratos (silagem de milho e capim-elefante) e um aditivo (carvão vegetal), visando obter estabilidade do processo e aumento da produção de biogás. São avaliados quatro possíveis cenários, tendo como base os substratros, co-substratos e o aditivo indicado acima, considerando a produção e venda de eletricidade por meio do sistema de compensação de energia. Sob a ótica ambiental da Análise de Ciclo de Vida o resultado mostrou que o Cenário II foi aquele que apresentou melhores resultados para o Potencial de Aquecimento Global, Acidificação, Eutrofização, Toxicidade Humana e Oxidação Fotoquímica. O Cenário III, por sua vez, apresentou melhor resultado na categoria de impacto de Depleção da Camada de Ozônio e o Cenário IV para a Depleção Abiótica (Combustíveis Fósseis). A partir da análise econômica realizada, constata-se o incremento na produção de biogás e também a viabilidade econômica do projeto com a codigestão, sendo que o cenário II (dejetos suínos e silagem de capim-elefante) foi aquele que apresentou maior rentabilidade com relação ao Valor Presente Líquido e o Cenário I (dejetos suínos) apresentou maior TIR para as proposições assumidas. O Cenário I apresentou uma TIR de 21,69% e tempo de retorno descontado do capital investido (TRC) de 6,2 anos, enquanto que o Cenário II apresentou uma TIR de 21,14% e TRC de 6,5 anos. O cenário III (dejetos suínos e silagem de milho) e o cenário IV (dejetos suínos e carvão vegetal) não apresentaram viabilidade econômica. Por fim, da Análise de sensibilidade realizada com relação à viabilidade econômica observou-se que dos parâmetros analisados, aquele que possui maior sensibilidade quanto à sua variação foi o preço da energia elétrica.
ABSTRACT
Anaerobic digestion is a complex process that depends on varying distances such as average pH, temperature, system agitation, toxicity, substrate type, maximum volumes and valves, organic loading rates and also carbon / nitrogen ratio (C / N). . The latter, in turn, was the central point in the development of the work. This ratio affects how bacteria in different stages of digestion and, depending on the unbalanced concentration of carbon and nitrogen, can affect inhibited energy metabolism in biogas production. Thus, in this licensed work, if you are going to study the coding study of a project with two co-substrates (corn silage and elephant grass) and an additive (charcoal), use the method of obtaining and increasing biogas production. Four possible scenarios are calculated, based on the substrates, co-substrates and additives indicated above, considering the production and sale of electricity through the energy compensation system. From an environmental perspective of Life Cycle Analysis or the result presented in Scenario II, the result of the best results for Global Warming Potential, Acidification, Eutrophication, Human Toxicity and Photochemical Oxidation was presented. Scenario III, in turn, shows the best result in the Ozone Layer depletion impact category and Scenario IV for Abiotic Depletion (Fossil Fuels). From the economic analysis performed, it was found or increased the biogas production and also the economic viability of the project with codigestion, and the scenario II (swine manure and elephant grass silage) was the one that presented higher profitability compared to Net Present Value and Scenario I (Supported Views) Show higher IRR for assumed propositions. Scenario shows an IRR of 21.69% and return on return on invested capital (TRC) of 6.2 years, while Scenario II shows an IRR of 21.14% and TRC of 6.5 years. Scenario III (swine manure and corn silage) and scenario IV (swine manure and charcoal) did not find economic viability. Finally, the Sensitivity Analysis performed in relation to economic viability is calculated on the analyzed parameters, but it has greater sensitivity regarding the variation of the price of electricity.
SUMÁRIO
RESUMO ... 5 ABSTRACT ... 6 SUMÁRIO ... 7 Lista de figuras ... 10 Lista de tabelas ... 12Lista de abreviaturas e siglas ... 14
Lista de símbolos: letras latinas e gregas... 16
Capítulo I ... 1 1. INTRODUÇÃO ... 1 1.1. Objetivos ... 6 1.1.1. Objetivo Geral ... 6 1.1.1. Objetivos Específicos ... 6 1.2. Estrutura do trabalho ... 6 Capítulo II ... 8 2. Fundamentação Teórica ... 8
2.1. Suinocultura no Brasil e em Minas Gerais ... 8
2.2. Biogás e Biodigestão ... 11
2.2.1. Cronologia do Biogás ... 11
2.2.2. Biogás no Brasil ... 12
2.2.3. Equivalências energéticas ... 17
2.3. Fundamentos da Biodigestão Aneróbia ... 18
2.4. Fatores que influenciam à digestão anaeróbia ... 21
2.4.1. Temperatura ... 22 2.4.2. Alcalinidade e pH ... 23 2.4.3. Agitação do Sistema ... 24 2.4.4. Codigestão ... 24 2.4.5. Substratos ... 25 2.4.6. Relação C/N ... 28
2.4.7. Tempo de Retenção Hidráulica (TRH) ... 29
2.4.8. Toxicidade/Inibidores... 30
2.5. Alternativas tecnológicas da digestão anaeróbia ... 30
2.5.1. Unidades de digestão anaeróbia (biodigestores) ... 32
2.5.2. Tipo de alimentação ... 33
2.6. Codigestão ... 40
2.6.2. Aditivos ou Material suporte ... 54
2.7. Tecnologias de conversão do biogás ... 60
2.8. Sistema de compensação de energia elétrica ... 65
2.9. ACV do Biogás ... 67
2.10. Viabilidade técnica e econômica de plantas de biogás ... 73
2.11. Uso do biofertilizante no cultivo ... 74
Capítulo III ... 78
3. Metodologia ... 78
3.1. Produção de energia elétrica a partir do biogás ... 80
3.2. Quantidade dos substratos a utilizar ... 80
3.3. Tempo de Retenção Hidráulica (TRH) ... 83
3.4. Dimensionamento do biodigestor tipo lagoa coberta... 84
3.5. Dados Climatológicos ... 84
3.6. Cenários da pesquisa assumidos ... 85
3.6.1. Cenário Base (Dejetos Suínos):... 85
3.6.2. Cenário 2 (Dejetos Suínos + Capim-elefante): ... 87
3.6.3. Cenário 3 (Dejetos Suínos + Milho): ... 88
3.6.4. Cenário 4 (Dejetos Suínos + Carvão vegetal): ... 88
3.7. Análise e avaliação de investimento de capital ... 89
3.7.1. Valor Presente Líquido (VPL) ... 90
3.7.2. Taxa Interna de Retorno (TIR) ... 91
3.7.3. Tempo de Retorno de Capital (TRC) ou Payback (PB) ... 92
3.8. Transporte de Co-substratos ... 93
3.9. Carvão Vegetal e seu Transporte ... 97
3.10. Uso do biofertilizante no cultivo ... 99
3.11. Considerações sobre a Análise de Ciclo de Vida - ACV ... 99
3.12. Custo dos Equipamentos e outras considerações para o estudo de viabilidade econômica... 116
Capítulo IV ... 121
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 121
4.1. Relação C/N ... 121
4.2. Tempo de Retenção Hidráulica ... 123
4.3. Cálculo do volume do biodigestor, produção diária de biogás, energia térmica e eletricidade ... 124
4.4. Análise de Ciclo de Vida ... 133
4.4.1. Potencial de aquecimento global ... 134
4.4.2. Potencial de Acidificação ... 136
4.4.4. Potencial de toxicidade humana ... 139
4.4.5. Potencial de depleção da camada de ozônio ... 140
4.4.6. Potencial de oxidação fotoquímica ... 141
4.4.7. Potencial de depleção abiótica (combustíveis fósseis) ... 143
4.4.8. Comparação geral entre os cenários ... 144
4.5. Análise Econômica ... 148
4.6. Análise de Sensibilidade ... 154
Capítulo V ... 164
5. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ... 164
5.1. Conclusões ... 164
5.2. Recomendações e sugestões para trabalhos futuros... 168
6. Apêndice ... 169
7. Referências ... 170
8. Anexos ... 190
Análises de Sensibilidade quanto à diferentes taxas de importação ... 190
Análises de Sensibilidade quanto à diferentes taxas de juros ... 191
Lista de figuras
Figura 2.1 - Distribuição do rebanho suíno brasileiro por grande região (Efetivo em
cabeças) – 2015. ... 9
Figura 2.2 - Abate de suínos segregados entre os estados do Brasil - 2015 ... 10
Figura 2.3 - Distribuição do rebanho suinícola entre mesorregiões de Minas Gerais (efetivo em cabeças) – 2015 ... 10
Figura 2.4 - Mapa brasileiro dos Centros de Geração a partir de Biogás. ... 15
Figura 2.5 - Classificação da fonte de substrato ... 16
Figura 2.6 - Diagrama Esquemático da degradação anaeróbia de compostos orgânicos 21 Figura 2.7 - Taxa de crescimento relativo de microrganismos psicrofílicos, mesofílicos e termofílicos. ... 23
Figura 2.8 - Produção de biogás a partir de diferentes substratos. ... 26
Figura 2.9 - Diagrama esquemático do processo de conversão energética a partir dos dejetos animais. ... 31
Figura 2.10 - Produção de gás em uma instalação com três biodigestores descontínuos. ... 34
Figura 2.11 - Biodigestor modelo indiano ... 35
Figura 2.12 - Biodigestor modelo chinês... 36
Figura 2.13 - Biodigestor UASB ... 37
Figura 2.14 - Biodigestor Biokohler ... 38
Figura 2.15 - Biodigestor de lagoa coberta... 39
Figura 2.16 - Representação esquemática de ciclo sustentável de codigestão aneróbia de estrume animal e resíduos orgânicos. ... 41
Figura 2.17 - Aumento na produção de biogás (%) ... 53
Figura 2.18 - Aumento na produção de biogás (%) utilizando o carvão vegetal como aditivo na digestão anaeróbia. ... Figura 2.19 - Possibilidades do uso do biogás... 61
Figura 2.20 - Regressão das eficiências elétrica e térmica de motores-geradores a gás (CHP). ... 62
Figura 2.21 - Sistema de Compensação de Energia Elétrica ... 67
Figura 3.1 - Cenário base de Produção de Calor e Eletricidade a partir do Biogás. ... 86
Figura 3.2 - Biodigestor de lagoa coberta da Fazenda modelo – Oliveira - MG. ... 86
Figura 3.3 - Cenário 2 - Produção de biogás a partir da codigestão de silagem de capim elefante e dejetos suínos ... 87
Figura 3.4 - Cenário 3 - Produção de biogás a partir da codigestão de silagem de milho e dejetos suínos ... 88
Figura 3.5 - Cenário 4 - Produção de biogás a partir da codigestão entre o dejeto suíno e o carvão vegetal. ... 89
Figura 3.6 - Relação TIR e TMA em um projeto de investimento. ... 92
Figura 3.7 - Custos do transporte de biomassa em USD/ton para 3 tipos de transporte. 95 Figura 3.8 - Distância entre a cidade de Oliveira - MG à cidade de Divinópolis - MG . 97 Figura 3.9 - Fluxograma e fronteiras do sistema de produção de bioenergia do estudo ... 101
Figura 3.10 - Fluxograma e fronteiras do sistema de produção de bioenergia do estudo do Cenário I ... 108
Figura 3.11 - Fluxograma e fronteiras do sistema de produção de bioenergia do estudo do Cenário II e III ... 111
Figura 3.12 - - Fluxograma e fronteiras do sistema de produção de bioenergia do estudo do Cenário IV ... 114
Figura 4.1 - Relação C/N das misturas suíno/capim-elefante e suíno/milho... 122
Figura 4.2 - Variação do TRH em função da temperatura de trabalho do biodigestor. 124 Figura 4.3 - Volume do Biodigestor em função da temperatura e dos substratos ... 129
Figura 4.4 - Produção diária de Biogás (Nm3) ... 130
Figura 4.5 - Produção diária de eletricidade para cada cenário ... 131
Figura 4.6 - Energia produzida, consumida e compartilhada para cada cenário. ... 132
Figura 4.7 - Potencial de Aquecimento Global para todas as etapas ... 135
Figura 4.8 - Potencial de Aquecimento Global para o transporte. ... 136
Figura 4.9 - Potencial de Acidificação para todas as etapas. ... 137
Figura 4.10 - Potencial de Acidificação para o transporte. ... 137
Figura 4.11 - Potencial de Eutrofização. ... 139
Figura 4.12 - Potencial de Toxicidade Humana. ... 140
Figura 4.13 - Potencial de Depleção da Camada de Ozônio. ... 141
Figura 4.14 - Potencial de Oxidação Fotoquímica. ... 142
Figura 4.15 - Potencial de Depleção Abiótica ... 143
Figura 4.16 - Comparação geral dos Resultados (%) ... 145
Figura 4.17 - Categorias de Impacto normalizadas por cenário. ... 147
Figura 4.18 - Fluxo de Caixa descontado do Cenário Base (dejeto suíno) ... 149
Figura 4.19 - Fluxo de Caixa descontado do Cenário II (Dejeto Suíno + Silagem de Capim-Elefante)... 151
Figura 4.20 - Fluxo de Caixa descontado do Cenário III (Dejeto Suíno + Silagem de Milho) ... 152
Figura 4.21 - Fluxo de Caixa descontado do Cenário IV (Dejeto Suíno + Carvão vegetal) ... 153
Figura 4.22 - Fluxos de Caixas Acumulados de diferentes cenários (Cenário I (CI), Cenário II (CII), Cenário III (CIII) e Cenário IV (CIV)) em função de diferentes fatores multiplicativos do investimento inicial. ... 155
Figura 4.23 - Valor Presente Líquido em função de diferentes fatores multiplicativos 156 Figura 4.24 - Taxa Interna de Retorno em função de diferentes fatores multiplicativos ... 156
Figura 4.25 - Fluxos de Caixas de diferentes cenários (Cenário I (CI), Cenário II (CII), Cenário III (CIII) e Cenário IV (CIV)) em função de diferentes taxas de juros. ... Figura 4.26 - Valor Presente Líquido em função de diferentes taxas de juros para cada cenário. ... 159
Figura 4.27 - Fluxos de Caixas de diferentes cenários (Cenário I (CI), Cenário II (CII), Cenário III (CIII) e Cenário IV (CIV)) em função de diferentes tarifas energéticas. ... Figura 4.28 - Valor Presente Líquido em função de diferentes tarifas de energia. ... 162
Lista de tabelas
Tabela 2.1 - Usinas de energia a partir do biogás (2016). ... 14
Tabela 2.2 - Equivalências energéticas por m3 de biogás a CNTP... 17
Tabela 2.3 - Temperatura ótima de archaeas formadoras de metano ... 20
Tabela 2.4- Faixas de temperatura e tempo de digestão anaeróbia ... 22
Tabela 2.5 - Classificação dos substratos para a Digestão Anaeróbia (DA) ... 27
Tabela 2.6 - Produção estimada de biogás por tipo de resíduo animal ... 28
Tabela 2.7 - Propriedades dos substratos utilizados na digestão anaeróbia segundo diferentes autores. ... 43
Tabela 2.8 – Principais estudos relacionados à codigestão anaeróbia ... 45
Tabela 2.9 – Principais estudos relacionados à digestão anaeróbia utilizando o carvão vegetal como aditivo. ... 59
Tabela 2.10 - Análise das principais alternativas para geração combinada de eletricidade e calor utilizando biogás. ... 63
Tabela 2.11 - Potência, rendimento e emissões de NOx nas tecnologias de geração com biogás. ... 64
Tabela 2.12 - Valores máximos admissíveis no solo ... 75
Tabela 2.13 – Balanço de nitrogênio e fósforo disponíveis a partir de sistemas de biogás. ... 76
Tabela 3.1 - Parâmetros utilizados para a avaliação da geração de eletricidade a partir do biogás ... 80
Tabela 3.2 - Parâmetros para avaliação da produção de biogás ... 82
Tabela 3.3 - Temperaturas máxima média, mínima média e média da cidade de Oliveira - MG. ... 85
Tabela 3.4 - Parâmetros de transporte da biomassa agrícola ... 94
Tabela 3.5 - Distâncias percorridas para sistemas de codigestão descentralizada ... 96
Tabela 3.6 - Detalhamento do custo de transporte do carvão vegetal ... 99
Tabela 3.7 – Inventário do ciclo de vida da matriz energética elétrica brasileira (COLTRO; GARCIA; QUEIROZ, 2003). ... 103
Tabela 3.8 – Inventário do ciclo de vida do petróleo consumido no Brasil (COLTRO; GARCIA; QUEIROZ, 2003). ... 104
Tabela 3.9 - Principais poluentes emitidos pelos tratores agrícolas ... 106
Tabela 3.10 - Principais poluentes emitidos por veículos de carga pesada ... 106
Tabela 3.11 - Inventário do Ciclo de Vida consolidado do Cenário I (base) ... 107
Tabela 3.12 - Inventário do Ciclo de Vida consolidado do Cenário II – Capim-elefante ... 109
Tabela 3.13 - Inventário do Ciclo de Vida consolidado do Cenário III - Milho ... 112
Tabela 3.14 - Inventário do Ciclo de Vida consolidado do Cenário IV ... 113
Tabela 3.15 - Nível de abrangência de aplicação por categoria de impacto de cada método de ACV (Análise de Ciclo de Vida) ... 115
Tabela 3.16 – Custos fixos com a implementação do Projeto de usina de biogás de 1MW (2019) ... 117
Tabela 3.17 - Despesas anuais estimadas para a usina de biogás (1000 kW) (2019) ... 117
Tabela 3.18 - Custos dos substratos e créditos de energia elétrica. ... 119
Tabela 3.19 - Proposições assumidas para a avaliação econômica. ... 120
Tabela 4.1 – Rendimentos dos co-substratos utilizados ... 124
Tabela 4.2 - Indicadores utilizados no dimensionamento da unidade digestora e no cálculo da produção diária de biogás, eletricidade e calor. ... 127
Tabela 4.3 – Fatores específicos utilizados no dimensionamento da unidade digestora e no cálculo da área de plantio necessária, produção diária de biogás, eletricidade e calor. ... 127 Tabela 4.4 – Resumo dos balanços de massa e conversão em eletricidade e calor, a partir de diferentes cenários. ... 133 Tabela 4.5 - Resumo do balanço Econômico do Cenário base (Cenário I) (Dejeto
Suíno). ... 148 Tabela 4.6 - Custos relativos ao tipo de transporte de biomassa ... 150 Tabela 4.7 - Resumo do balanço Econômico do Cenário II (Dejeto Suíno + Silagem de Capim-Elefante)... 151 Tabela 4.8 - Resumo do balanço Econômico do Cenário III (Dejeto Suíno + Silagem de Milho). ... 152 Tabela 4.9 - Resumo do balanço Econômico do Cenário IV (Dejeto Suíno + Carvão Vegetal). ... 153 Tabela 8.1 - Fluxo de Caixa Descontado do Cenário I com relação à diferentes fatores multiplicativos ... 190 Tabela 8.2 - Fluxo de Caixa Descontado do Cenário II com relação à diferentes fatores multiplicativos ... 190 Tabela 8.3 - Fluxo de Caixa Descontado do Cenário III com relação à diferentes fatores multiplicativos ... 190 Tabela 8.4 - Fluxo de Caixa Descontado do Cenário IV com relação à diferentes fatores multiplicativos ... 191 Tabela 8.5 - Fluxo de Caixa Descontado do Cenário I com relação à diferentes taxas de juros (%a.a.). ... 191 Tabela 8.6 - Fluxo de Caixa Descontado do Cenário II com relação à diferentes taxas de juros (%a.a.). ... 191 Tabela 8.7 - Fluxo de Caixa Descontado do Cenário III com relação à diferentes taxas de juros (%a.a.). ... 192 Tabela 8.8 - Fluxo de Caixa Descontado do Cenário IV com relação à diferentes taxas de juros (%a.a.). ... 192 Tabela 8.9 - Fluxo de Caixa Descontado do Cenário I com relação à diferentes preços de energia (R$/kWh). ... 192 Tabela 8.10 - Fluxo de Caixa Descontado do Cenário II com relação à diferentes preços de energia (R$/kWh). ... 193 Tabela 8.11 - Fluxo de Caixa Descontado do Cenário III com relação à diferentes preços de energia (R$/kWh). ... 193 Tabela 8.12 - Fluxo de Caixa Descontado do Cenário IV com relação à diferentes
Lista de abreviaturas e siglas
ACV Análise de Ciclo de Vida
AGR Resíduos Agroindustriais
AGV Ácidos orgânicos voláteis
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
BEM Balanço Energético Nacional
CE Capim-elefante (PENNISETUM PURPUREUM)
CED Cultura Energética Dedicada
CHP Combined Heat and Power “Sistema Combinado de calor
e energia elétrica”
CIBiogás Centro Internacional de Energias Renováveis
CIH Centro Internacional de Hidroinformática
CNTP Condições Normais de Temperatura e Pressão
CV Carvão Vegetal
DA Digestão Anaeróbia
DBO Demanda Bioquímica de Oxigênio
DIET Transferência Eletrônica Direta de Interespécies
DQO Demanda Química de Oxigênio
DS Dejeto Suíno
GEE Gases de Efeito Estufa
GIZ Deutsche Gesellschaft fur Internationale Zusammenarbelt Gmbh “Sociedade Alemã para Cooperação Internacional Ltda”.
GLP Gás Liquefeito de Petróleo
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
ICMS Imposto sobre Circulação de Mercadorias e Serviços
IPCC Painel Intergovernamental sobre mudanças Climáticas
M Milho
MtCO2/ano Milhões de toneladas de dióxido de carbono por ano
mm2a Milímetros quadrados ao ano
NAT Nitrogênio Amoniacal Total
pH Potencial Hidrogeniônico
PROBIOGÁS Projeto Brasil-Alemanha de Fomento ao Aproveitamento Energético de Biogás no Brasil
PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia elétrica no
Sistema Elétrico Nacional
Relação C:N ou C/N Relação Carbono/Nitrogênio
REN Resolução Normativa
RSU Resíduos Sólidos Urbanos
RA Resíduos Animais
SS Sólidos Suspensos
ST Sólidos Totais
SV Sólidos Voláteis
SCE Silagem de Capim-elefante
SM Silagem de Milho
T Temperatura
TIR Taxa Interna de Retorno
TMA Taxa Mínima de Atratividade
Ton Toneladas
TRC Tempo de Retorno de Capital ou Payback
TRH Tempo de Retenção Hidráulica
Tmínima Temperatura média mínima local mensal
Tmáxima Temperatura média máxima local mensal
Tmédia Temperatura média mensal
Tmédia-anual Temperatura média anual
UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket “Reatores anaeróbicos
de fluxo ascendente”
UNIFEI Universidade Federal de Itajubá
USD Dólar americano (US$)
Lista de símbolos: letras latinas e gregas
𝐶𝐶𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 𝑙𝑘𝑚
𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 Consumo de combustível diesel;
C R$ Custo do equipamento a classificar;
Co R$ Custo referência do equipamento.
𝐶𝑚ê𝑠 R$/mês Custo de transporte mensal;
𝐶𝑉 R$/km Custo variável por quilômetro;
𝐶𝐹 R$/mês Custo fixo de transporte;
𝐶𝑅$/𝑡𝑜𝑛 R$/ton Custo de transporte por tonelada.
𝐸 MWh Eletricidade anual gerada;
𝐸𝑒 tonCO2 Emissões anuais evitadas de CO2;
𝐸𝑓 tonCO2/MWh Fator de emissão de CO2 para a matriz elétrica brasileira; 𝐸𝑓𝑜 tonCO2/MWh Fator de emissão marginal para construção de usinas na matriz elétrica brasileira;
𝐸𝑓𝑐 tonCO2/MWh Fator de emissão marginal para operação na matriz elétrica brasileira;
𝐹𝐶𝑡 R$ Fluxos de caixa dos valores envolvidos que ocorrem em n
períodos;
𝐹𝑀𝐸𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 𝑘𝑔𝐶𝑂2
𝑙𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 Fator médio de emissão do diesel
𝐼 R$ Investimento inicial;
K - Relação entre carbono e nitrogênio da mistura de
diferentes matérias-primas
KM km Distância percorrida por mês
M kWe Tamanho do equipamento a classificar
Mo kWe Tamanho referência do equipamento.
𝑁𝑚ê𝑠𝑜 - Quantidade de viagens por mês;
𝑃𝐶𝑂2 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑡𝑜𝑛𝐶𝑂2
𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 Produção anual de dióxido de carbono; 𝑄𝑡𝑜𝑛
𝑚ê𝑠 ton/mês Quantidade de co-substrato transportado mensalmente [];
Rt m3/ton Rendimento de biogás da mistura;
R1 m3biogás/ton Rendimento de biogás do substrato ou co-substrato 1; R2 m3biogás/ton Rendimento de biogás do substrato ou co-substrato 2;
Rn m3biogás/ton Rendimento de biogás do substrato ou co-substrato n;
𝑑 km Distância de transporte de co-substrato;
𝑖 % Taxa mínima de atratividade, taxa de desconto ou taxa de
juros comparativa;
𝑛 - Número de períodos envolvidos no fluxo de caixa.
𝑤𝑜 𝑒 𝑤𝐵 - Pesos para as fases de operação e construção,
respectivamente;
x1 - Fração mássica do substrato ou co-substrato 1;
x2 - Fração mássica do substrato ou co-substrato 2;
Capítulo I
1. INTRODUÇÃO
As recentes crises hídricas que o Brasil vem sofrendo tem revelado a fragilidade da matriz energética brasileira ainda concentrada na hidroeletricidade. Desta maneira surgem diferentes tendências no sentido de ampliar e diversificar a matriz energética com fontes alternativas e ao mesmo tempo sustentáveis de energia, já que investir em fontes fósseis seria andar na contramão do desenvolvimento limpo e sustentável.
Entre as fontes alternativas em que o Brasil tem investido cita-se em grande peso a energia eólica, que já se mostrou viável em muitas localidades do país e hoje conta com uma participação aproximada de 8,6% da energia elétrica produzida no país. A energia solar também tem experimentado um importante crescimento no país, apesar de ainda representar uma pequena parcela de contribuição na matriz energética (1,2%). A biomassa por sua vez, tem apresentado um crescimento menor comparado com a energia eólica, no entanto, o país apresenta um potencial enorme de aproveitamento e desfruta de condições privilegiadas para a produção de biomassa. Hoje a participação da biomassa na matriz de energia elétrica é de aproximadamente 8,7%, sendo que a maior parte desta energia é proveniente da queima do bagaço de cana-de-açúcar, um resíduo agroindustrial da produção do etanol e açúcar (ANEEL – AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. BANCO DE INFORMAÇÕES DE GERAÇÃO, 2019).
As principais vantagens do Brasil, que o torna singular na produção de biomassa, são a grande extensão territorial, dos quais 9% (76,6 milhões ha) estão ocupados por
culturas anuais perenes e florestas plantadas, dispondo ainda de mais 12% (102 milhões ha) para novos cultivos (BUENO; ESPERANCINI; TAKITANE, 2009), clima tropical com elevada radiação solar, alta capacidade de produção de biomassa energética com grande diversidade de espécies nativas e exóticas, tais como algodão, amendoim, coco, dendê, eucalipto, girassol, macaúba, mamona, milho e soja e conhecimento científico e tecnológico na área agrícola (GAZZONI, 2006).
A fim de reduzir a dependência dos combustíveis fósseis e aproveitar a energia da biomassa, a bioenergia se desenvolve como a chave para melhorar o padrão de vida dos países em desenvolvimento. O aproveitamento da biomassa pode se dar por diferentes vias, seja através de processos termoquímicos de conversão de energia, tais como, a combustão, pirólise e gaseificação, ou processos biológicos como a digestão anaeróbia. A digestão anaeróbia (DA), apesar de complexa, é uma tecnologia adequada e eficiente para o tratamento de matéria orgânica. A complexidade do tratamento biológico é a consequência dele envolver vários microrganismos que são afetados por diversos fatores como pH do meio, tipo de substrato, agentes tóxicos, temperatura, tempo de retenção hidráulica, entre outros (EBNER et al., 2015; GARNIER, 2014; WU et al., 1999).
Nos últimos anos tem-se percebido um aumento no uso do biogás não somente para geração de energia elétrica, mas também pelas famílias das zonas rurais, para suprir suas necessidades energéticas, tais como, energia para aquecimento, iluminação e até mesmo em grupos motogeradores para geração de eletricidade, além do biofertilizante para o solo (VIEIRA; MIRANDA, 2016).
A produção de biogás para geração de energia térmica e elétrica a partir da biomassa residual tem um papel fundamental na descentralização da geração de renda e energia. Assim, a geração em pequenas unidades tem um forte impacto na economia local devido à produção de energia a partir do biogás. O autor destaca também a importância de avaliar a geração de energia não somente através da medição energética em quilowatt hora, mas também em qualidade ambiental e desenvolvimento microeconômico local (BLEY-JÚNIOR et al., 2009).
Além do importante papel social e econômico do uso do biogás como já citado anteriormente cabe destacar também sua importância no tratamento de dejetos. Os dejetos e resíduos de origem animal e vegetal quando não tratados provocam passivos ambientais, pois, seu descarte de forma inadequada pode causar a contaminação do lençol freático e corpos hídricos, eutrofização aquática, redução da disponibilidade de oxigênio na água e
diminuição da fotossíntese. Todos estes efeitos resultam em uma água imprópria para o consumo, afetando assim a saúde pública.
A geração de energia a partir do biogás apresenta os seguintes benefícios: redução do conteúdo orgânico e seu respectivo potencial poluente; diminuição da matéria descartada e depositada no ambiente; redução da emissão de Gases de Efeito Estufa (GEE) e fixação da população em suas comunidades a partir da descentralização de renda, energia e emprego.
Apesar do Brasil ser um grande produtor de biomassa, a participação do biogás no setor elétrico brasileiro é ínfima, não chega a 0,01%, sendo que destes, 92,56% da eletricidade produzida a partir do biogás é proveniente de resíduos sólidos urbanos. Assim, a busca por tecnologias para o aumento da participação no mercado elétrico brasileiro da energia proveniente do biogás deve ser pesquisada e explorada. A Tabela 2.1
apresenta as unidades de produção de biogás localizadas no Brasil, sendo que o biogás pode ser proveniente de resíduos sólidos urbanos (RSU), resíduos agroindustriais (AGR) e resíduos animais (RA) (ANEEL – AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. BANCO DE INFORMAÇÕES DE GERAÇÃO, 2019).
Outros aspectos que devem ser avaliados na produção de biogás são os parâmetros físico-químicos da biomassa, que permitem calcular a produção de biogás em condições ótimas, a partir da digestão anaeróbia. Os principais parâmetros da matéria orgânica que devem ser analisados são: DQO (Demanda Química de Oxigênio), DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio) e nutrientes como nitrogênio, fósforo, potássio e cálcio. Estes parâmetros, nos efluentes líquidos, permitem determinar a carga orgânica da biomassa.
O tratamento de resíduos de biomassa para a geração de biogás, quando viável sob o ponto de vista técnico e econômico, certamente o será sob a ótica ambiental, dado as transformações causadas por estes contaminantes no meio ambiente. Quando tratado e disposto de forma adequada, o efluente químico com alto conteúdo orgânico se constitui em biogás e biofertilizante. Este último, um dos subprodutos do processo de biodigestão, é um adubo natural que ajuda na recuperação de nutrientes e correção do solo.
Outro fator que deve ser destacado na importância do tratamento dos resíduos orgânicos é a redução de gás metano emitido a atmosfera por meio da sua conversão em dióxido de carbono. O gás metano apresenta um potencial poluidor aproximadamente 32 vezes maior do que o gás carbônico. Na reação de combustão do biogás ocorre a conversão do gás metano em dióxido de carbono e água. Além disto, por ser uma reação
exotérmica envolvendo a queima de um gás há a liberação de calor que pode ser aproveitado de distintos modos, como por exemplo na geração de eletricidade.
Em 2012 surgiu a primeira norma regulamentadora no Brasil que define a produção de energia elétrica a partir do biogás para baixa potências geradas (REN 482/2012, alterada pela no 687/2015) e sua classificação dentro da mini e microgeração distribuída. Portanto, quanto à produção de energia, de acordo com ANEEL (2016), a microgeração distribuída é caracterizada por gerar energia elétrica com potência instalada menor ou igual a 75 kW, enquanto a minigeração distribuída se refere às centrais geradoras com potência instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3MW para fontes hídricas, ou 5MW para outras fontes como o biogás (ANEEL, 2016).
Como a geração distribuída é caracterizada por baixa potência, é incluída diretamente na rede de distribuição de energia, reduzindo as perdas e gastos adicionais com a transmissão. A geração de energia na localidade, quando proveniente da biomassa, também é importante para a geração de renda local e redução de consumo de combustíveis fósseis. Consequentemente ocorrerá a menor dependência dos combustíveis fósseis na matriz energética elétrica brasileira. Assim, a produção de energia a partir do biogás contribui não somente para redução de gases efeito estufa via conversão de gás metano em gás carbônico, como também para a redução de consumo de combustíveis de origem não renovável.
Os incentivos fornecidos no Brasil por meio de políticas públicas abaixo destacadas, contribuem para que projetos de produção de energia a partir da biomassa alcancem mais facilmente a viabilidade econômica. Assim, a isenção de impostos como o ICMS e a criação de fundos de financiamento de créditos a baixas taxas de juros viabilizam projetos e empreendimentos como estes.
Sem os sistemas de incentivo muitos projetos não seriam economicamente viáveis. Cabe destacar que a resolução da ANEEL para a micro e minigeração distribuída foi um grande avanço para o país, pois permitiu, pelo sistema de compensação de energia elétrica, a geração e consumo de energia de forma simultânea para uma única propriedade (WRIGHT; BROWN, 2007)
Por meio da conexão com a rede, é possível viabilizar projetos de geração de energia, pois a energia gerada pode ser comparada sob a ótica do preço utilizado pela concessionária e não pelo preço de venda da energia em leilões da ANEEL. Através da compensação, a energia elétrica injetada no sistema e consumida por outras unidades, fica
disponível para o usuário por meio de créditos energéticos que podem ser utilizados em até 60 meses (WRIGHT; BROWN, 2007).
Outro avanço do Brasil está na viabilização de projetos de biogás em parcerias com centros internacionais, como o governo alemão, por meio do Projeto Brasil-Alemanha de Promoção do Uso do Biogás no Brasil, PROBIOGÁS, cujo objetivo é aumentar de modo eficiente a contribuição do setor agrícola e agroindustrial na produção de biogás dentro da matriz energética nacional. Além disto, foi criado pelo Centro Internacional de Energias Renováveis (CIBiogás), em parceria com o Centro Internacional de Hidroinformática (CIH), com o apoio do PROBIOGÁS, o Mapa de Biogás. O mapa é uma ferramenta iterativa, pública e on-line que tem como objetivo disseminar informações tais como: a capacidade das unidades de produção de biogás, a origem do substrato, a produção média de biogás, a situação da planta (se em fases de instalação ou operação), e a aplicação de energia do biogás (térmico, elétrico, mecânico ou biometano/veículos), bem como sua localização geográfica dentro do mercado brasileiro.
Desta forma pretende-se avaliar os impactos ambientais associados a co-digestão e sua conversão em eletricidade. Este estudo foi realizado para a cidade de Oliveira – MG com a codigestão de dejeto suínos com diferentes co-substratos (silagem de capim elefante e silagem de milho) e um aditivo (carvão vegetal). Este estudo foi feito desta forma seguindo os seguintes critérios: 1) alta produção de suínos na Fazenda modelo de Oliveira – MG e a necessidade do tratamento do dejeto suíno; 2) as silagens de capim elefante e silagem de milho estão entre as culturas mais adequadas para a produção de biogás e sua utilização como co-substrato (GONZÁLEZ-GARCÍA et al., 2013; POESCHL; WARD; OWENDE, 2012);
Diante deste contexto, o presente trabalho propõe o estudo da codigestão em comparação com a monodigestão. E para isto, apresenta também a análise da viabilidade econômica e ambiental através da Análise de Ciclo de Vida de 4 cenários de geração de eletricidade a partir do biogás. O primeiro cenário denominado cenário base é composto pelo aproveitamento único do dejeto suíno, o segundo com a codigestão dos dejetos suínos com silagem de capim elefante, o terceiro utilizando a codigestão dos dejetos suínos e silagem de milho e por fim, utilizando o carvão vegetal como aditivo em conjunto com os dejetos suínos.
1.1. Objetivos
1.1.1. Objetivo Geral
O objetivo geral deste trabalho é avaliar o potencial da codigestão do dejeto suíno com 2 co-substratos (silagem de milho e capim-elefante) e 1 aditivo (carvão vegetal) na produção de biogás usando a geração de eletricidade e ainda realizar o estudo de viabilidade econômica e ambiental (ACV) deste processo.
1.1.1. Objetivos Específicos
Para a execução do objetivo geral, será necessário atingir os seguintes objetivos específicos:
Estimar o acréscimo da produção de biogás utilizando a codigestão dos dejetos suínos com silagem de capim elefante;
Estimar o acréscimo da produção de biogás utilizando a codigestão dos dejetos suínos com silagem de milho;
Estimar o acréscimo da produção de biogás utilizando o carvão vegetal como aditivo para aumentar a produção de biogás segundo parâmetros da literatura. Comparar os diferentes cenários e avaliar a viabilidade técnico-econômica de cada
um, visando determinar qual deles se adequa melhor às condições da Fazenda modelo – MG.
Realizar a análise ambiental a partir da Análise de Ciclo de Vida (ACV) para cada cenário modificado proposto incluindo o cenário base.
1.2. Estrutura do trabalho
O Capítulo 1 apresenta um panorama do biogás para a diversificação da matriz energética elétrica brasileira e também como fator descentralizador na geração de emprego, renda e energia. Além disto, são apresentados os objetivos no desenvolvimento do trabalho e sua estrutura.
O Capítulo 2 apresenta a fundamentação teórica do trabalho, no que diz respeito ao biogás e ao seu processo de formação, bem como os fundamentos da biodigestão
anaeróbia e os fatores que influenciam no processo. Desta forma apresenta-se o estado da arte do que se tem visto com relação ao tema no Brasil e no mundo.
No Capítulo 3 são apresentadas as tecnologias existentes para a conversão da matéria orgânica em biogás através da biodigestão, as unidades digestoras e suas especificidades, a codigestão, o atual sistema brasileiro de compensação de energia elétrica, a produção de biogás no Brasil, trabalhos relacionados a ACV do biogás e estudos que apresentam a viabilidade técnica e econômica de plantas de biogás. Além disto é apresentada a metodologia do trabalho, onde descrevem-se as fases e características do processo de conversão da energia do resíduo orgânico em eletricidade. São apresentados os fatores, parâmetros e hipóteses que devem ser assumidas na pesquisa em geral e no dimensionamento do projeto. O projeto inclui o dimensionamento da unidade digestora para a produção de biogás e eletricidade e avaliação técnica e econômica do projeto. Estas análises são feitas para distintos cenários que consideram o uso ou não da codigestão anaeróbia.
No capítulo 4 são apresentados os resultados da avaliação técnica e econômica da mono e codigestão anaeróbia a partir dos 4 cenários propostos, estudados e avaliados. Além disto, no capítulo são apresentados também os resultados concernentes à Análise de Ciclo de Vida de cada Cenário a partir de 6 categorias de impacto analisadas: Potencial de Aquecimento Global, Potencial de Acidificação, Potencial de Eutrofização, Potencial de toxicidade humana, Potencial de Depleção da camada de ozônio, Potencial de Oxidação Fotoquímica e Potencial de Depleção Abiótica (combustíveis fósseis). Neste capítulo é definido qual o melhor cenário a depender da análise, seja ela, econômica ou ambiental (dentro das categorias de impacto analisadas) e dentro dos parâmetros avaliados. Além disto, define-se também a proporção de substrato base e co-substrato para que seja alcançado a ideal relação C:N.
Por fim, no Capítulo 5 apresenta-se as conclusões do trabalho e sugestões e recomendações para trabalhos futuros.
Capítulo II
2. Fundamentação Teórica
2.1.
Suinocultura no Brasil e em Minas Gerais
A suinocultura no Brasil está distribuída por diferentes regiões e apresenta diferentes modelos no que tange a escala de produção, arranjo produtivo entre a produção e o processamento, bem como o nível de tecnologia agregado. Na região Sul por exemplo, predominam pequenos suinocultores integrados e especializados em fases específicas da produção do suíno. A região sudeste, no entanto, já é marcada por produtores independentes com produção de ciclo completo.
No Brasil, a suinocultura está presente em 46,5% das 5,8 milhões de propriedades rurais. O plantel reprodutivo brasileiro é de 1.720.255 matrizes, tendo produzido 39.263.964 suínos para abate em 2015. Esta produção de carne suína contabiliza R$ 62,576 bilhões ao Produto Interno Bruto (PIB) (NEVES et al., 2016).
A partir do final da década de 1990, os frigoríficos brasileiros passaram a ganhar força no mercado internacional e com isso tiveram que aumentar os investimentos em tecnologia, qualidade e higiene animal. Com o expressivo aumento da produção de suínos, surge a preocupação do destino e manejo dos seus dejetos. Assim, das alternativas existentes, as principais estão na produção direta de biofertilizante em plantações e nutrientes para manejo de peixes e na produção energética, tanto para o consumo próprio,
como para a comercialização do excedente, por meio do biogás produzido a partir da digestão anaeróbia com o uso de biodigestores.
A suinocultura é uma atividade presente em todas as regiões do Brasil, tendo como principal produtora, a região Sul, seguida pela região Sudeste, como é possível perceber através do mapa da Figura 2.1.
Figura 2.1 - Distribuição do rebanho suíno brasileiro por grande região (Efetivo em cabeças) – 2015.
Fonte: (“IBGE”, 2016)
Dentre as regiões produtoras, cabe destacar a produção e manejo de suínos do estado de Minas Gerais. O estado tem um papel relevante no cenário nacional e em 2015 foi o 4º maior, no número de abate de suínos, estando atrás apenas de Santa Catarina, Rio Grande do Sul e Paraná. O gráfico abaixo apresenta a relação dos principais estados produtores de suínos no Brasil e sua relevância dentro do mercado nacional, como mostrado na Figura 2.2.
Figura 2.2 - Abate de suínos segregados entre os estados do Brasil - 2015 Fonte: (“IBGE”, 2016)
O estado de Minas Gerais por ser extenso territorialmente é dividido em mesorregiões. Dentre as regiões destaca-se o Triângulo Mineiro/Alto Paranaíba com 39% do rebanho de suínos, seguido da Zona da Mata com 21%. A mesorregião Oeste de Minas onde está situada a cidade de Oliveira – MG, possui 5% do rebanho do estado, como mostrado na Figura 2.3.
Figura 2.3 - Distribuição do rebanho suinícola entre mesorregiões de Minas Gerais (efetivo em cabeças) – 2015
2.2.
Biogás e Biodigestão
O biogás, é um gás de origem biológica produzido a partir da decomposição da matéria orgânica em condições de ausência de oxigênio cujos principais componentes são: metano e dióxido de carbono, além de traços de nitrogênio, sulfeto de hidrogênio e monóxido de carbono (DEMIREL et al., 2010; FNR, 2010).
A queima do combustível gera a produção de forma direta e indireta, respectivamente, de calor e eletricidade. Na geração de eletricidade é necessário que existam outros processos de conversão de energia, transformando a energia térmica em energia mecânica e esta em eletricidade.
A produção de biogás é importante, não somente desde o ponto de vista da obtenção de um gás combustível para a geração de energia, mas também é uma forma de disposição e tratamento de resíduos sólidos e efluentes. Assim, os potenciais benefícios da biodigestão, não estão somente no viés econômico na geração de emprego e renda, mas também no viés ambiental na disposição adequada da matéria orgânica.
Na decomposição da matéria orgânica a partir de microrganismos anaeróbicos dois subprodutos são formados, o biogás e um sólido biodigerido. O sólido biodigerido, pode ser utilizado como adubo natural para a pastagem. Com isto, há múltiplos ganhos na conversão química da matéria orgânica, seja para geração de calor, eletricidade, energia mecânica, tratamento de efluentes e resíduos orgânicos, ou no enriquecimento e tratamento do solo (GARFÍ et al., 2011).
2.2.1. Cronologia do Biogás
As primeiras tentativas de se aproveitar a biomassa proveniente de restos de comida e dejetos em geral, ocorreram no século XIX, com biodigestores na Nova Zelândia e Índia. Na Índia em 1857 foi construída a primeira usina de biogás, cuja finalidade era de fornecer combustível para um hospital de portadores de hanseníase de Bombaim (NOGUEIRA, 1986). Historicamente, os biodigestores foram desenvolvidos na Índia a partir de 1970, possuindo em torno de 2.500 instalações em uso, destinadas para a produção de gás e também de adubo (MASCARÓ, 2010). A Índia, com o intuito de diminuir a contaminação ao meio ambiente gerado pelo esgoto começa a utilizar a
biodigestão anaeróbia para produção de biogás a partir de esgotos humanos (BOND; TEMPLETON, 2011).
A intensificação do uso do biogás ocorreu particularmente durante a 2ª Guerra Mundial na Alemanha, e posteriormente, em toda a Europa, devido à escassez de recursos energéticos. A partir de 1970 começaram a surgir na África e América Latina os primeiros biodigestores (BOND; TEMPLETON, 2011). No Brasil houve um crescimento e desenvolvimento de biodigestores rurais na década de 80, período em que houve um suporte do Ministério da Agricultura e de Minas e Energia com a instalação de aproximadamente 8.000 unidades. Estes biodigestores eram pequenos e simples, e os modelos mais utilizados eram os modelos chinês e indiano (ANDRADE et al., 2002).
No setor brasileiro, houve uma expansão no desenvolvimento de projetos para geração de biogás e construção de biodigestores em meados do ano 2000 cujo propulsor foi a implantação do mercado de créditos de carbono. Além disto, cooperações internacionais têm sido criadas com o propósito de desenvolver projetos de pesquisa para o aproveitamento e tratamento de efluentes e resíduos sólidos na geração de biogás. Um destes projetos é o intitulado Projeto Brasil-Alemanha de Fomento ao Aproveitamento Energético de Biogás no Brasil (PROBIOGÁS) (PIÑAS, 2016).
2.2.2. Biogás no Brasil
Apenas a partir de 2010, o biogás começou a ser considerado um ativo energético na geração de energia no Brasil. Por mais de 40 anos (1970 – 2010) a importância do biogás não foi percebida dentro dos sistemas produtivos como produto energético, sendo considerado um subproduto sem valor econômico agregado (BLEY JR., 2015; MATHIAS; MATHIAS, 2015).
As tecnologias de conversão de energia a partir de resíduos ainda são novas no país e consiste em qualquer processo de tratamento e que produza energia na forma de eletricidade, calor ou combustíveis. Além disto, estas tecnologias podem ser aplicáveis a variados tipos de resíduos em seus diversos estados físicos (CIGOLOTTI, 2012).
Segundo os dados disponibilizados de geração de energia elétrica a partir do biogás pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) (FREITAS et al., 2019), o Brasil, em 2016, conforme mostra a Tabela 2.1 possuía aproximadamente 121 MW de potência instalada. As usinas termoelétricas em operação, tinham uma capacidade total de energia proveniente do biogás de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) de 66.476 kW,
aproximadamente 2099 kW a partir de Resíduos animais (RA) e 1822 kW a partir de Resíduos Agroindustriais (AGR). Este resultado demonstra a baixa presença de usinas termoelétricas operando com resíduos animais e resíduos agroindustriais e a necessidade de incentivá-las.
Tabela 2.1 - Usinas de energia a partir do biogás (2016).
Usina elétrica Cidade-Estado Fonte Potência Supervisionada (kW)
Participação por fonte (%) Salvador Salvador - BA Biogás - RSU 19.730 96,77
São João Biogás São Paulo - SP Biogás - RSU 21,560 Energ-Biog Barueri - SP Biogás - RSU 30
Asja BH Belo Horizonte - MG Biogás - RSU 4278 Arrudas Belo Horizonte - MG Biogás - RSU 2400 Ambiente Ribeirão Preto - SP Biogás - RSU 1500 Biotérmica Recreio Minas do Leão - RS Biogás - RSU 8556 Uberlândia Uberlândia - MG Biogás - RSU 2852 Asja Sabará Sabará - MG Biogás - RSU 2852 CTR Juiz de Fora Juiz de Fora - MG Biogás - RSU 4278 Itajaí Biogás Itajaí- SC Biogás - RSU 1065 Termoverde Caieiras Caieiras - SP Biogás - RSU 29,547
Guatapará Guatapará - SP Biogás - RSU 5704 Bandeirantes São Paulo - SP Biogás - RSU 4624 Curitiba Energia Fazenda Rio Grande - PR Biogás - RSU 4278 Tecipar Santana de Parnaíba - SP Biogás - RSU 4278
Ronaldo de Freitas Silva Uberlândia - MG Biogás - RA 120 1,73 Fazenda Nossa Senhora de Fátima Perdizes - MG Biogás - RA 175,2
Unidade Industrial de Aves Matelândia - PR Biogás - RA 160 Unidade Industrial de Vegetais Itaipulândia - PR Biogás - RA 40
ETE Ouro Verde Foz do Iguaçu - PR Biogás - RA 20 Leite De Estrela Céu Azul - PR Biogás - RA 110 Fazenda da Luz Abelardo Luz - SC Biogás - RA 810 Granja Makena Patrocínio - MG Biogás - RA 80
Ajuricaba Marechal Cândido Rondon - PR Biogás - RA 80 Fazenda Nossa Senhora do Carmo Ituiutaba - MG Biogás - RA 80 Granja São Roque Videira - SC Biogás - RA 424
Cogeração Bio Springer Valinhos - SP Biogás - AGR 848 1,5 Adelar Piaia Três Passos - RS Biogás - AGR 100
Cetrel Bioenergia JB Cachoeirinha - PE Biogás - AGR 874
Total 121.453,2 100
As usinas geradoras de biogás estão concentradas no Sul e Sudeste do Brasil, porém existem algumas unidades no Nordeste e também no Centro-oeste, como se observa a Figura 2.4.
Figura 2.4 - Mapa brasileiro dos Centros de Geração a partir de Biogás. Fonte: Adaptado de (FREITAS et al., 2019)
Percebe-se, que existe uma concentração das unidades geradoras de biogás na região Sul e Sudeste do país, sendo que os marcadores azul, amarelo e verde indicam o tamanho da unidade atendendo à produção de biogás, classificada como grande (mais de 12000 m3/dia), média (cerca de 2000 a 12000 m3/dia) e pequena (menor a 2000 m3/dia), respectivamente (FREITAS et al., 2019).
No portal do programa CIBiogás é possível visualizar e também interagir com o Mapa brasileiro dos Centros de Geração de Produção de Biogás ao clicar em cada marcador, e assim conhecer, a categoria da unidade, a origem do substrato, a produção média de biogás, a situação da planta (se em fases de instalação ou operação), o tamanho e a aplicação de energia do biogás (gás térmico, elétrico, mecânico ou biometano para uso veicular) (CIBIOGÁS, 2018).
O Mapa de Biogás é uma plataforma pública e on-line criada pelo Centro Internacional de Energias Renováveis (CIBiogás) em parceria com o Centro Internacional
de Hidroinformática (CIH) e com o apoio do Projeto Brasil-Alemanha para promover o uso do biogás no Brasil (PROBIOGÁS). A iniciativa mostra as usinas que já estão em fase de instalação ou de operação, contribuindo para a disseminação de informações sobre o potencial de produção, unidades de produção existentes, tecnologias disponíveis, projetos de pesquisa e desenvolvimento, linhas de financiamento, legislação e regulamentos, consultores e fornecedores, contribuindo assim para o desenvolvimento do setor no Brasil (CIBIOGÁS, 2018).
O potencial de produção de eletricidade a partir da biomassa, com a produção de biogás tem crescido no Brasil, sendo que em 2015 haviam 127 usinas de biogás no Brasil usando resíduos agrícolas e industriais, bioresíduos, lodo de esgoto e gás de aterro. Estas usinas produziam cerca de 1,6 milhão de Nm3/dia (584 bilhões de m3 de biogás/ano), produzindo cerca de 3835 GWh de eletricidade (IEA, 2015; “REN21. Renewables 2015 Global Status Report, Renewable Energy Policy Network for the 21st Century”, 2015). Além disto, a capacidade instalada de geração de eletricidade aumentou significativamente de 196 MW em 2015 para 450 MW em 2016 (IRENA, 2016).
A Figura 2.5 classifica as fontes de substrato em cinco classes, de acordo com o tipo de instalação que o produz para a biodigestão como apresentado.
Figura 2.5 - Classificação da fonte de substrato Fonte: Adaptado de (FREITAS et al., 2019)
Aproximadamente 96,75% da energia elétrica proveniente do biogás no Brasil são de resíduos sólidos urbanos, 1,75% de resíduos animais e 1,5% de resíduos agroflorestais (FREITAS et al., 2019).
2.2.3. Equivalências energéticas
O metano (CH4) tem um poder calorífico de aproximadamente 9,81 kWh/Nm3 (35,3 MJ/Nm3). Já o conteúdo energético do biogás, que contém 45 – 85% de metano, 15 – 45% de dióxido de carbono e pequenas quantidades de sulfeto de hidrogênio (H2S), amônia (NH3) e gás nitrogênio (N2), pode variar entre 4,5 e 8,5 kWh/Nm3 (16,2 e 30,6 MJ/Nm3) dependendo da proporção dos compostos gasosos acima mencionados. Em condições normais o biogás apresenta cerca de 65% de metano, o que lhe confere um conteúdo energético aproximado de 6,5 kWh/Nm3 (23,4 MJ/Nm3) (ERIKSSON, 2010).
Na Tabela 2.2 é mostrada a equivalência energética do biogás com outras fontes de energia, segundo diversos autores. Cabe destacar que há algumas variações e isto se dá basicamente, pelas considerações de cada autor, como composição do biogás, umidade, eficiência de conversão e fatores de padronização que podem variar.
Tabela 2.2 - Equivalências energéticas por m3 de biogás a CNTP
Energético Nogueira (1986) Motta (1986) Ferraz & Marriel (1980) Cortez et al. (2008) Herrero (2008) Lora et al. (2012) Gasolina (L) 0,61 0,70 0,61 0,61 0,75 0,61-0,70 Querosene (L) 0,62 - 0,58 - - - Óleo diesel (L) 0,55 - 0,55 0,56 0,65 0,55 GLP (kg) - 0,40 0,45 0,46 0,40-1,43 Álcool (L) 0,80 - - 0,79 1,1 0,8 Carvão Mineral (kg) 0,74 - - - 0,7 0,74 Carvão vegetal (kg) - - - 0,74 - - Lenha (kg) 3,5 - - - - 3,5 Eletricidade (kWh) - 1,25 1,43 1,43 - 1,25-1,43
Fonte: Adaptado de (CORTEZ; LORA; GÓMES, 2008; HERRERO, 2008; LORA; VENTURINI, 2012;
Além das equivalências apresentadas na Tabela 2.2, pode-se extrapolar para o capim-elefante e milho, cujas culturas energéticas serão posteriormente estudadas e aprofundadas na codigestão juntamente com o biogás com base na taxa de conversão. Assim, o capim-elefante que possui um conteúdo energético de 17,58MJ/kg, equivaleria dizer que seriam necessários aproximadamente 1,33 kg para a mesma produção energética de 1Nm3 de biogás (conteúdo de 23,4 MJ/Nm3) (ROSSI, 2010).
A silagem de milho que apresenta um conteúdo energético de aproximadamente 16,45 MJ/kg, equivaleria dizer que seriam requeridos aproximadamente 1,42 kg de milho para a mesma quantia de energia de 1Nm3 de biogás (RODRIGUES et al., 2001).
2.3.
Fundamentos da Biodigestão Aneróbia
A biodigestão anaeróbia do composto orgânico é um processo biológico que ocorre em diferentes estágios ou etapas, sendo realizado por microrganismos que agem simbioticamente. O consórcio formado por bactérias anaeróbias e arqueas são predominantemente os microrganismos responsáveis pelo processo de decomposição da matéria orgânica. Este consórcio atua sobre a carga orgânica composta por estruturas complexas, quebrando-as em compostos simples como o metano (CH4) e o dióxido de carbono (CO2).
Na descrição dos processos bioquímicos que envolvem a produção do biogás existem quatro processos, os quais incluem reações bioquímicas com diferentes microrganismos e substratos. Os processos citados são: hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese (CHENG, 2009; DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2011; LORA; VENTURINI, 2012), que serão melhor detalhadas adiante.
A decomposição da matéria orgânica está relacionada basicamente com quatro grupos de microrganismos: fermentativos (hidrolíticos ou acidogênicos), responsáveis por hidrolisar as estruturas complexas em componentes simples, acetogênicos, que produzem acetato e hidrogênio e por último os metanogênicos, que produzem metano e dióxido de carbono (GUNNERSON; STUCKEY, 1986).
Na Figura 2.6 são apresentadas as diferentes etapas do processo de biodigestão, os microrganismos que atuam em cada estágio, bem como a matéria-prima de consumo e o produto de cada etapa.
Os processos bioquímicos detalhados na Figura 2.6 representam a produção de biogás mostrando os microrganismos responsáveis por cada sequência de conversão e seus respectivos produtos. As etapas são descritas a seguir:
Hidrólise: Etapa na qual os polímeros orgânicos, compostos de cadeia mais complexa tais como carboidratos, proteínas, lipídios e celulose, são transformados em monômeros que possuem cadeias mais simples, como açúcares, ácidos graxos, peptídeos e aminoácidos, como mostrado na Equação 2.1.
𝑅𝐶𝑂𝑂𝑅 + 𝑦𝐻2𝑂 → 𝑅𝐶𝑂𝑂𝐻 + 𝑅𝑂𝐻 (2.1)
Os produtos resultantes da hidrólise dependem da matéria orgânica, assim, a hidrólise de glicosídeos produz açúcares, já a hidrólise de proteínas gera aminoácidos. Este processo é de suma importância na geração de biogás, pois, é a partir da quebra destes polímeros orgânicos que se inicia a digestão biológica. Esta etapa é realizada pelas bactérias fermentativas hidrofílicas.
Acidogênese: Nesta etapa, ocorre a transformação dos produtos resultantes da hidrólise em ácidos orgânicos voláteis (AGV) acetato e álcoois. Nesta etapa ainda há a formação de ácido acético, hidrogênio e dióxido de carbono. Os produtos gerados pelas bactérias acetogênicas são adequados para as arqueas metanogênicas.
Acetogênese: Neste estágio os ácidos orgânicos voláteis (AGV) são convertidos em ácido acético, gás carbônico e hidrogênio. Esta etapa é uma das mais delicadas do processo e pode comprometer todos os estágios. O consumo de ácidos graxos por meio das bactérias acetogênicas ocorre apenas com baixas pressões parciais de hidrogênio (DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2011).
Nesta fase, a quantidade de produtos originados pelo metabolismo das bactérias acetogênicas deve estar em equilíbrio com a quantidade consumida pelas Archaeas metanogênicas. Assim as bactérias acetogênicas e arqueas devem viver em simbiose (DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2011; GERARDI, 2003).
As bactérias homoacetogênicas produzem acetato a partir de dióxido de carbono e são consumidoras de hidrogênio, sendo oposto ao processo desenvolvido pelas bactérias acetogênicas.
A alta concentração de hidrogênio não oferece condições ambientais adequadas para as bactérias acetogênicas, responsáveis por converter os ácidos orgânicos na acidogênese. Ainda, o aumento de ácidos orgânicos inibe a ação das bactérias metanogênicas e com isto a geração de biogás é prejudicada.
Metanogênese: considerada a última etapa do processo de biodigestão na ausência de oxigênio, é a etapa onde há a formação de metano (CH4), basicamente a partir do acetato (CH3COO-), dióxido de carbono (CO2), e hidrogênio (H2). No entanto, o metano também pode ser formado a partir de outros componentes distintos do ácido acético (CH3COOH), como por exemplo, do ácido fórmico (HCOOH), metanol (CH3OH) e metilamina (CH2NH2) (CHENG, 2009; GERARDI, 2003).
As archaeas metanogênicas trabalham e apresentam maior produtividade de gás metano em uma faixa de temperatura (temperatura ótima), como mostrado na Tabela 2.3.
Tabela 2.3 - Temperatura ótima de archaeas formadoras de metano
Intervalo de Temperatura
Gênero Temperatura ótima (oC)
Mesofílica Methanobacterium 37-45
Methanobrevibacter 37-40
Methanococcus, Methanosphaera, Methanolobus 35 – 40
Methanoculleus, Methanospirillum, Methanolobus Methanosarcina, Methanocorpusculum, Methanoplanus 30-40 Methanogenium 20-40 Methanococcoides 30-35 Methanohalophilus 35-45
Termofílica Methanosarcina, Methanohalobium 50-55
Fonte: Adaptado de (GERARDI, 2003).
Quando o conteúdo orgânico é rico em enxofre pode ocorrer o surgimento de bactérias sulfetogênicas durante o processo de digestão. Estas bactérias disputam com as arqueas metanogênicas pelo substrato, obtendo como subproduto o gás sulfídrico. O gás sulfídrico, em altas concentrações acarreta no desgaste dos equipamentos, principalmente
das máquinas de conversão e tubulações, além de diminuir a concentração de metano comprometendo o rendimento da geração de eletricidade.
Figura 2.6 - Diagrama Esquemático da degradação anaeróbia de compostos orgânicos Fonte: Adaptado de (LETTINGA; HULSHOFF; ZEEMAN, 1996)
2.4.
Fatores que influenciam à digestão anaeróbia
A digestão anaeróbia, depende de uma série de condições para um ótimo desempenho. Neste processo biológico colônias de microrganismos atuam conjuntamente na produção de metano em condições específicas de equilíbrio. Desta forma, o
rendimento na produção de biogás está associado diretamente a temperatura, pH, taxa de mistura, substratos, relação C/N e tempo de retenção hidráulica (TRH).
2.4.1. Temperatura
A temperatura é um dos fatores físicos que tem maior importância na geração de biogás devido à sua influência na velocidade de digestão anaeróbia. A temperatura deve ser aceitável e uniforme durante o processo de biodigestão para que não existam regiões de queda das atividades dos microrganismos, sendo que, pequenas variações de temperatura acarretam a inibição de algumas archaeas ou bactérias anaeróbias (DEUBLEIN; STEINHAUSER, 2011; GERARDI, 2003).
Existem três faixas de temperatura nas quais podem se desenvolver os microrganismos anaeróbicos, como mostrado na Tabela 2.4.
Tabela 2.4- Faixas de temperatura e tempo de digestão anaeróbia
Digestão Mínimo Ótimo Máximo Tempo de biodigestão
Psicrofílica 4 – 10 °C 15 – 18 °C 20 – 25 °C Acima de 100 dias Mesofílica 15 – 20 °C 25 – 35 °C 35 – 45 °C 30 – 60 dias Termofílica 25 – 45 °C 50 – 60 °C 75 – 80 °C 10 – 15 dias
Fonte: (LAGRANGE, 1979)
Os microrganismos psicrofílicos se desenvolvem com temperaturas inferiores a 25°C, os mesofílicos entre 25 e 45°C e os termofílicos entre 45 e 65°C. Dentro de cada faixa de temperatura de digestão existe uma temperatura ótima, onde o crescimento é máximo. O crescimento bacteriano dentro de cada região a partir da temperatura mínima tende a crescer até atingir um ponto máximo, e tende a cair bruscamente com o acréscimo de poucos graus (CHERNICHARO, 2007), como mostrado na Figura 2.7.
Há essencialmente duas regiões que exibem situações ótimas para a geração de gás metano. Primeiro, a região mesofílica compreendida entre 20 – 40oC, com a sua faixa de temperatura ótima entre 30 – 35oC. A segunda região, denominada termofílica está entre 50 – 60oC (SINGH; ANAND, 1994).
Estudos mostram que a produção de biogás na região termofílica tem uma produção até 41% maior que na mesofílica e 144% maior que na psicrofílica (BOUALLAGUI et al., 2004).
Figura 2.7 - Taxa de crescimento relativo de microrganismos psicrofílicos, mesofílicos e termofílicos.
Fonte: Adaptado de (MORENO, 2011)
2.4.2. Alcalinidade e pH
O pH é um importante parâmetro no controle dos fatores que influenciam a digestão anaeróbia. Além disto, tem relação intrínseca com as concentrações dos ácidos, pois representa um balanço geral dos ácidos fracos e fortes do sistema, mas não a sua concentração individual.
Nos reatores anaeróbicos ocorrem reações bioquímicas que produzem ácidos e bases, como visto nos fundamentos da biodigestão anaeróbia apresentadas na seção 2.2 e detalhada na Figura 2.6. Além disto, o baixo pH inibe a atividade biológica de bactérias, como é o caso das bactérias acetogênicas.
Logo, o controle do pH tem impacto direto no controle da geração do biogás, inclusive recomenda-se a adição de substâncias básicas no substrato a fim de reduzir a acidez e fazer com que as bactérias acetogênicas tenham condições ideais para a conversão dos ácidos orgânicos voláteis em ácido acético, gás carbônico e hidrogênio. Para este controle são sugeridos elementos tampões, que consistem em elementos
